Search for neutrino emission from blazar $γ$-ray flares accounting for possible neutrino time delays

Resumen Técnico: Búsqueda de la Emisión de Neutrinos de Destellos de Rayos $\gamma$ de Blázares Contabilizando Posibles Retrasos Temporales de Neutrinos

Planteamiento del Problema
Si bien el observatorio de neutrinos IceCube ha establecido la existencia de neutrinos astrofísicos de alta energía ($E_\nu \gtrsim 1$ TeV), las fuentes específicas que contribuyen al flujo difuso permanecen mayoritariamente sin identificar, a pesar de la evidencia que vincula eventos específicos con blázares (por ejemplo, TXS 0506+056) y galaxias activas (por ejemplo, NGC 1068). Las búsquedas previas de correlaciones entre blázares y neutrinos de IceCube típicamente asumían una coincidencia temporal entre la llegada del neutrino y los importantes destellos electromagnéticos (específicamente de rayos $\gamma$). Sin embargo, consideraciones teóricas sugieren que esta coincidencia puede no cumplirse. Si los neutrinos se producen mediante interacciones $p\gamma$, las escalas de tiempo para la aceleración de protones ($t'_{acc}$) y las pérdidas de energía de protones ($t'_{p\gamma}$) en el marco del chorro (jet frame) pueden ser órdenes de magnitud más largas que las de los electrones responsables de los destellos electromagnéticos. En consecuencia, los neutrinos de alta energía ($\gtrsim 100$ TeV) pueden llegar meses o años después del pico del destello de rayos $\gamma$ asociado. Este artículo aborda la falta de búsquedas que contabilicen tales posibles retrasos temporales.

Metodología
Los autores realizaron un análisis de cruce de coincidencias entre las alertas de neutrinos de alta energía del catálogo público IceCat-1 y dos muestras distintas de fuentes de blázares, escaneando en busca de correlaciones sobre un amplio rango de retrasos temporales en el marco del chorro ($t'_{delay}$).

1. Conjuntos de Datos:

   • Neutrinos: 348 alertas del catálogo IceCat-1 ($E_\nu \gtrsim 100$ TeV), excluyendo aquellas con señales coincidentes de IceTop.
   • Listas de Fuentes:
     • H21+: Una muestra de 294 AGNs de la base de datos MOJAVE (Homan et al. 2021) con factores Doppler ($D$), desplazamientos al rojo ($z$) y curvas de luz de Fermi-LAT conocidos.
     • R24+: Una muestra de 295 blázares del catálogo CGRaBS (Rodrigues et al. 2024b) con factores Doppler derivados del modelado del espectro de energía, también cruzados con curvas de luz de Fermi-LAT.
   • Curvas de Luz: Curvas de luz de flujo fotónico con bines mensuales del Repositorio de Curvas de Luz (LCR) de Fermi-LAT.

2. Marco Estadístico:

   • Asociación Espacial: Los neutrinos se asociaron con blázares si la fuente caía dentro de una región de incertidumbre angular ampliada (incorporando una incertidumbre sistemática $\Delta = 0.78^\circ$).
   • Esquema de Ponderación: Para cada alerta, se calculó un peso $w_\nu(t'_{delay})$ basado en la significancia de la alerta, un factor de penalización por grandes incertidumbres angulares y un factor temporal $G_{\nu a}$.
   • Factor Temporal: El factor temporal vinculó el tiempo de llegada del neutrino ($t_\nu$) con el máximo global de la curva de luz de $\gamma$ del blázar previo a la llegada ($t^{\gamma \max}_a$). El factor asignó el peso máximo si la diferencia de tiempo coincidía con el retraso anticipado en el marco del observador ($t_{delay} = t'_{delay}(1+z)/D$) dentro de un tamaño de bin, aplicando una penalización gaussiana por las desviaciones.
   • Estadístico de Prueba (TS): El TS global se definió como la suma de los pesos individuales de todas las alertas.
   • Pruebas de Significancia: El TS para los datos reales se comparó contra una distribución de valores de TS generados a partir de 49,999 conjuntos de datos simulados (mock) donde las ascensiones rectas y los tiempos de llegada de los neutrinos fueron aleatorizados. Se calcularon los valores $p$ pre-ensayo (pre-trial) que posteriormente fueron corregidos por ensayos (escaneando sobre $t'_{delay}$).

Contribuciones Clave

• Estrategia de Búsqueda Novedosa: Este trabajo representa el primer intento de buscar asociaciones entre los neutrinos de IceCube y los destellos de rayos $\gamma$ de blázares contabilizando específicamente un retraso temporal en el marco del chorro ($t'_{delay}$) causado por la lenta aceleración de protones o las pérdidas de energía.
• Doble Muestra de Fuentes: El estudio utiliza dos catálogos de blázares independientes con diferentes métodos para determinar los factores Doppler (argumentos de temperatura de brillo frente a modelado de SED) para probar la robustez de las posibles correlaciones contra las incertidumbres en la cinemática de los chorros.
• Escaneo de Retraso Sistemático: El análisis escanea $t'_{delay}$ desde 1 mes hasta $\sim 3.5 \times 10^4$ días, cubriendo el rango teórico donde la producción de neutrinos podría retrasarse respecto a la emisión electromagnética.

Resultos

• Significancia Estadística: La búsqueda no arrojó evidencia estadísticamente significativa de una correlación entre los neutrinos de IceCat-1 y las AGNs en las listas de fuentes H21+ o R24+.
  • Para la lista H21+, el valor $p$ pre-ensayo mínimo fue 0.037 (en $t'_{delay} \approx 7.7 \times 10^3$ d).
  • Para la lista R24+, el valor $p$ pre-ensayo mínimo fue 0.026 (en $t'_{delay} \approx 1.9 \times 10^3$ d).
  • Tras la corrección por ensayos, estos mínimos corresponden a valores $p$ post-ensayo de 0.14 (1.06$\sigma$) y 0.11 (1.21$\sigma$) respectivamente, consistentes con la hipótesis nula.
• Principales Candidatos: Las asociaciones más significativas fueron impulsadas por la alerta IC120523B (vinculada al destello de 2010 de 3C 454.3) e IC150926A (vinculada a un destello de 3C 279). Aunque estos eventos específicos mostraron alineación temporal con los retrasos anticipados, fueron insuficientes para establecer una correlación global en todo el conjunto de datos.
• Discrepancia en los Factores Doppler: Los tiempos de retraso óptimos difirieron significativamente entre las dos listas de fuentes (un factor de 4), impulsados en gran medida por las discrepancias en los factores Doppler estimados para 3C 454.3 y 3C 279 entre las metodologías H21 y R24.

Significancia y Reivindicaciones
Los autores concluyen modestamente que sus resultados no apoyan una correlación significativa entre los neutrinos de IceCat-1 y las poblaciones específicas de blázares estudiadas, incluso al contabilizar los retrasos temporales. Sugieren varias razones, no mutuamente excluyentes, para estos resultados nulos:

1. Ineficiencia: Los blázares pueden ser fuentes ineficientes de neutrinos de $\sim 100$ TeV, contribuyendo solo una pequeña fracción ($\sim 0.5\%$) al flujo de IceCube.
2. Escala de Energía: Si los blázares son fuentes eficientes de neutrinos, el pico de su emisión puede residir en energías mucho más altas ($\gtrsim 10$ PeV), más allá de la sensibilidad primaria de la muestra actual de alertas de IceCube.
3. Supuestos del Modelo: El supuesto de un retraso temporal universal en el marco del chorro ($t'_{delay}$) puede ser inválido debido a las variaciones entre fuentes en los mecanismos de aceleración y los campos magnéticos.
4. Desacoplamiento: La aceleración de protones y la disipación de energía pueden estar espacial o temporalmente desacopladas de los procesos electrónicos, lo que significa que la producción de neutrinos no está causalmente ligada a los destellos de rayos $\gamma$ observados.

El artículo postula que las mejoras futuras en la sensibilidad probablemente requerirán conjuntos de datos más grandes (por ejemplo, los próximos catálogos IceCat-2 y CAZ) y la inclusión de curvas de luz de radio, que son conocidas por presentar retrasos respecto a los destellos de rayos $\gamma$ y pueden correlacionarse mejor con las escalas de tiempo de producción de neutrinos.